AlGaN/GaN HEMT 富Si的双层SiN钝化层总结

1 SiN钝化层介绍

AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌效应影响其可靠性，因此解决该问题是此类器件近些年的重点。电流崩塌效应主要由缺陷导致，包括表面和势垒层上的缺陷。

改善电流崩塌效应目前在工艺上主要通过场版和钝化层，场版可以有效改善虚栅效应，钝化层则有效改善表面缺陷情况。本文提出的Si-rich SiN钝化层即是对钝化层的改进。

2 双层SiN钝化层结构

以下是几类钝化层结构实验设计对比设置

@Huang Tongde¹

• Chip1: 50-nm in-situ SiNx
• Chip2: 59-nm ex-situ SiNx by PECVD with NH3 plasma pre-treatment at 300C
• Chip3: bilayer LPCVD SiNx, Si rich(10nm, DSC:NH3 flow 220:30,820C), SiNx(DSC:NH3 flow 180:50,57nm)

@Liu Jielong²

• Chip1: 正常SiN层（120nm，2%SH4:NH3=100:2 sccm；N=1.9）
• Chip2: Si-rich SiN双层结构（20nm Si-rich layer，2%SH4：NH3=450:2 sccm+100nm standard SiN；N=2.4）

对于Si-rich SiN实验设置，对照组是Xnm常规SiN，实验组为a nm富Si层+（X-a）nm常规层。

SiN的制造主要有两种方案，一是文献1使用的二氯硅烷+氨气。二是文献2使用的硅烷+氨气。LPCVD和PECVD两种方式均可实现。

Si-rich SiN通过增加SiH4的比例实现，随着SiH4比例提高，SiN层的折射率提高。因此往往通过监控折射率变化查看富Si的沉积情况。

3 结构分析

在Liu Jielong²的文章中给出富Si的FEM情况（b），可以看到富Si和标准SiN有明显的分界线。

图（c）通过FTIR光谱仪可以看到Si-rich SiN具有更高的Si-H键含量，比标准的SiN高三倍。图（d）显示，Si-rich SiN的具有更低的方阻。但在我们的实验中，并未看到该规律。

下表1显示，Si-rich SiN具有更多的Si-O键，更少的Ga-O键。这是由于Si-rich有更多的Si-H键，该键相较于Ga-更容易与-O反应形成Si-O。Ga-O往往形成深能级陷阱，减少Ga-O的形成即抑制了该缺陷。

4 结果分析

4.1 DC

Gm和Output曲线上，Si-rich SiN和标准的SiN并无大差异，但整体上Si-rich更高。

施加应力后³的结果显示，Si-rich SiN可以极大降低施加应力后的电流崩塌效应。

4.2 热特性

结果显示，Si-rich SiN具有更好的热稳定性。

4.3 PIV

PIV结果显示，Si-rich 双层SiN结构性能最好，PECVD沉积的SiN性能最差。由于In-situ直接在MOCVD的腔内沉积SiN，因此其表面缺陷会比PECVD的少。

4.4 RF

射频特性上，Si-rich 双层SiN性能最好，PECVD最差。

从几个方面的测试结果来看，Si-rich 双层SiN可以有效改善AlGaN/GaN的性能，提高其热稳定性。

5 其他细节

• in-situ 和ex-situ SiN的区别？in-situ为原位生长，在MOCVD生长GaN后不开腔直接继续沉积SiN。ex-situ为非原位生长，外延和SiN生长无关系，在后续工艺中再沉积的SiN。
• 随着SH4比例增加，生长的SiN应力变化？根据我们FAB的实验结果，应力在一般的波动范围内，并无明显变化。但在文章中显示，硅基的富Si的SiN具有更强的拉伸应力。因此该问题仍有讨论的空间。
• 为什么Si-rich SiN的折射率更高？Khawaja⁴在文献中提出是由于SiN的致密性发生了改变。但更深入的原因并未详细阐述。下图为随着SiH4比例提高，SiN反射率和光学带隙也随之提高。

• 关于Si-rich SiN的作用大多从测试角度出发，对其进行定性分析，缺乏相关的理论推导。

说明：此文中C均代表摄氏度。

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1. Suppression of Dispersive Effects in AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors Using Bilayer SiN Grown by Low Pressure Chemical Vapor Deposition ↩︎

2. Improved Power Performance and the Mechanism of AlGaN/GaN HEMTs Using Si-Rich SiN/Si3N4 Bilayer Passivation ↩︎ ↩︎

3. High‐power GaN‐HEMT with low current collapse for millimeter‐wave amplifier ↩︎

4. Nitrogen rich PECVD silicon nitride for passivation of Si and AlGaN/GaN HEMT devices ↩︎